СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

БЕРИЛЛИЙ И ЕГО СПЛАВЫ (Шиганов И. Н.)

26.1. Основные марки сплавов бериллия и их свойства

Металл Be относится к легким металлам II группы периодической системы элементов. Порядковый номер 4, относительная атомная масса 9,01, принад­лежит к числу редких элементов. Плотность Be 1,82 г/см3, температура плавления 1283 °С. По сравнению 4 другими металлами он обладает самой высокой скрытой теплотой плавления 1151 Дж/г, что превосходит А1 почти в 3 раза, Мп — в 6 раз, a Fe — почти в 4,3 раза. Бериллий обладает до­вольно высокой теплопроводностью, уступая по этому показателю лишь Ag, Си, Аи и А1. Специфичным физическим свойством является его высо­кая проницаемость ідля рентгеновских лучей, которая в 17 раз выше, чем у алюминия. Под воздействием окислительных сред на поверхности берил­лия образуется защитная окисиая пленка, подобная пленке на алюминии и титане. С одной стороны, это делает его коррозионностойким, а с другой стороны, затрудняет процесс сварки. При высоких температурах Be обла­дает высокой химической активностью по отношению к кислороду, азоту, водороду, галогенам и т. д. В тонкоизмельченном виде и парообразный Be обладает высокой токсичностью, в связи с чем при обработке его необхо­дима полная защита оператора от воздействия паров и пыли, в частности сварку, необходимо проводить только в герметично закрытых камерах (до­пустимое содержание в атмосфере до 2 мг на 1 м3). Компактный Be не

токсичен и эксплуатация изделий из него не представляет опасности для здоровья людей [1].

Изделия из Be получают прессованием его порошка с последующим спеканием полученных заготовок в вакууме при 450—500 °С, либо плавкой и литьем в глубоком вакууме или в атмосфере инертного газа. В литом со­стоянии Be особенно хрупок. Горячепрессованные брикеты являются исход­ным материалом для прокатки и других видов обработки. Бериллий обла­дает - высокой анизотропией механических свойств, которая зависит от ори­ентации зерен, связанной со схемой деформации (табл. 26.1).

Бериллиевые полуфабрикаты имеют высокий модуль упругости 3-105 МПа. Пластичность Be крайне низка при комнатной температуре, но возрастает при температуре 300—400 °С в 5—6 раз. Бериллий находит применение в различных областях, в том числе как конструкционный материал. Пре­пятствием на пути его широкого внедрения в конструкциях является хруп­кость и низкая пластичность.

26.2. Основные марки алюминиево-бериллиевых сплавов и их свойства

В промышленности нашли наибольшее распространение сплавы на берил - лий-алюминиевых композициях [2] Согласно диаграмме состояния, раство­римость Be в А1 при эвтектической температуре 645 °С составляет 0,3%

(по массе), при комнатной температуре не превышает 0,1 %, растворимость А1 в Be при температуре 648 °С находится на уровне 4—5% (по массе). Таким образом, в жидком состоянии Be и А1 полностью взаимно раство­римы. В твердом состоянии практически все сплавы этой системы пред­ставляют собой смесь двух фаз, являющихся при комнатной температуре почти чистыми компонентами Отсутствие интерметаллических соединений в системе Al — Be дает ей определенные преимущества при создании кон­струкционных материалов, так как бериллий с подавляющим большинством элементом (за исключением кремния) образует хрупкие интерметаллнды, препятствующие получению более пластичных по сравнению с чистым бе­риллием сплавов.

Al — Be сплавы получают как по металлокерамической технологии с ис­пользованием смесей порошковых компонентов, так и путем сплавления и отливки слитков. Промышленное применение нашли сплавы с дополнитель­ным легированием алюминиевой матрицы магнием Такие сплавы обладают малой плотностью (2—2,2 г/см3), относительно высокой температурой плав­ления (1100—1150 °С), высокой прочностью и в несколько раз более высо­ким модулем упругости (~1,5- 105 МПа) по сравнению с широко используе­мыми алюминиевыми, магниевыми и титановыми сплавами. Наилучшими свойствами обладают сплавы с содержанием Be 40—45 %. Примером может служить промышленный сплав АБМ-1 (ТУ 95.238—80). Свойства сплава при­ведены в табл. 26.2.

26.3. Свариваемость бериллия и его сплавов

При сварке бериллия методами плавления возникает ряд труд­ностей, которые ограничивают области их применения. В связи с хрупкостью бериллия и его высокой химической активностью по отношению к примесям-газам швы весьма склонны к обра­зованию пор, холодных и горячих трещин. Дополнительные за­труднения создает большая склонность Be к росту зерен при нагреве.

Кроме этого, необходимо учитывать, что наиболее высокими свойствами обладает горячепрессованный Be в деформирован­ном состоянии, а после сварки такого металла в литой зоне свойства основного металла недопустимы низки, особенно по
пластичности. В связи с этим методы сварки плавлением Be преимущественно используют для ненагруженных конструкций, например для герметизации.

Основные трудности при сварке Al — Be сплавов возникают в связи с существованием химической неоднородности в зоне термического влияния (рис. 26.1). Наличие ее связано с воз­никновением под действием термического цикла сварки протя - женого (4—6 мм) участка твердо-жидкого состояния материала [3, 4]. В этой зоне происходят как изменения макрообъемов, за­ключающиеся в увеличении сечения в зоне термического влия­ния и уменьшения сечения в шве, так и изменения микро­структуры.

Помимо структурной неодно­родности, существует еще и хи­мическая неоднородность зоны термического влияния, особенно на сплавах системы Al—Be—Mg. В результате теплового влияния сварочного цикла в алюминие­вой матрице металла околошов­ной зоны происходит распад пе­ресыщенного твердого раствора Mg в Al с образованием ста­бильной фазы Mg2Al3.

Неоднородная по структуре и содержанию элементов зона термического влияния однопро - сплавов системы Al—Be—Mg не уступает по кратковременной прочности литому металлу шва, а по пластичности и ударной вязкости — основному металлу, неоднородность в первую очередь сказывается на циклической прочности.

Предел ограниченной выносливости сварных соединений на базе циклов 106 в 2—3 раза ниже, чем у основного металла, на базе циклов 2-Ю3 это соотношение составляет 1,5—2. Разру­шение, как правило, инициируется наличием в зоне термиче­ского влияния фазы Mg2Al3.

Увеличение температуры нагрева более 1000 °С приводит к - снижению прочности соединений за счет роста зерна.

26.4. Технология сварки и свойства соединений

26.4.1. Аргонодуговая и электронно-лучевая сварка бериллия

Дуговую сварку бериллия осуществляют в камерах с контроли­руемой атмосферой газов: аргона повышенной чистоты или смеси 50 % Аг и 50 % Не. Перед заполнением газами необхо­
димо создавать разряжение в камере. Наилучшие результаты достигаются на соединениях по отбортовке кромок с проплав - дением на 1—1,5 мм.

Наименьший размер зерна, а следовательно, и наилучшие свойства получают при электронно-лучевой сварке в вакууме на режимах, обеспечивающих минимальную погонную энергию. Однако и этот метод не дает возможности получать равнопроч­ные с основным металлом сварные соединения, а тем более близкие с ними по пластичности.

26.4.2. Диффузионная сварка бериллия

Многие сложности сварки плавлением устраняются при ис­пользовании сварки в твердой фазе — диффузионной [1]. Ис­пользуют сварку Be с промежуточной прокладкой и без нее. В случае сварки без прокладки процесс ведут в вакууме (~6,6 МПа) под механическим давлением с нагревом в высо­кочастотном индукторе до температур от 700 до 1000 °С. У го­рячепрессованных и выдавленных материалов существует мак­симум прочности сварных соединений в области температур на­грева 900—1000 °С.

В табл. 26.3 приведены некоторые результаты диффузион­ной сварки Be. На оптимальных режимах сварки достигаются свойства соединения, равные свойствам основного металла. Обязательным условием получения качественного соединения является тщательная подготовка соприкасающихся поверхно­стей, заключающаяся в удалении окисного слоя и снижении пу­тем полировки шероховатости поверхностей до минимума.

Для сохранения чистоты соединяемой поверхности и умень­шения влияния поверхностной шероховатости используют про­межуточную металлическую прослойку. В качестве промежу­точной прослойки рекомендуется использовать серебро. Так как серебро не образует стабильного оксида, его можно нанести заблаговременно на детали либо электролитически, либо осаж­дением в вакууме. Равнопрочные с бериллием соединения до-

стигаются при температуре нагрева 150—200°С и давлении сварки ~70 МПа. Толщина прокладок из серебра имеет опти­мум в диапазоне 15—50 мкм. Для более толстых прослоек проч­ность при растяжении непосредственно связана со свойствами серебра. Когда толщина прослойки уменьшается, прочность при растяжении этих соединений увеличивается из-за сдержи­вания пластического течения. Для очень тонких промежуточных слоев на площади контакта начинают сказываться чистота и гладкость поверхности, поэтому прочность при растяжении су­щественно снижается.

Используя промежуточные прокладки, осуществляют диф­фузионную сварку Be со сталью и Ті.

26.4.3. Аргонодуговая и электронно-лучевая сварка сплавов

Алюминиево-бериллиевые сплавы толщиной до 3 мм свари­ваются обычно аргонодуговой сваркой. Существует достаточно узкий диапазон скоростей сварки (18—24 м/ч), соответствую­щий оптимальному сочетанию благоприятных условий формиро­вания шва с удовлетворительными механическими свойствами и минимальной химической неоднородностью по Be в зоне тер­мического влияния.

Для соединения Al—Be сплавов толщиной более 5 мм эф­фективно применение метода электронно-лучевой сварки. Каче­ство формирования шва и свойства сварных соединений в зна­чительной степени зависят от плотности мощности электронного луча и состава свариваемого сплава.

При низких уровнях плотности мощности, обеспечивающих проплавление на уровне 2—3 мм, практически на всех сплавах удается получить удовлетворительное формирование шва. При увеличении плотности мощности и соответственно глубины про­плавления на большой группе сплавов наблюдается ухудшение формирования шва, заключающиеся в выбросе жидкого ме­талла из сварочной ванны на кромки свариваемых пластин, что приводит к образованию специфического дефекта в виде про­дольной полости или «реза».

Причиной появления подобных дефектов является перегрев содержащегося в сплаве магния выше точки кипения. Подоб­ный перегрев приводит к объемному парообразованию, вскипа­нию и выбросу расплава. Наличие Be в сплаве при кристалли­зации резко повышает его вязкость, что затрудняет формиро­вание шва [5].

Подобные процессы происходят не на всех Al—Be—Mg сплавах, а только на тех, у которых не соблюдается критиче­ское соотношение Mg и Be. Экспериментально определенные критические соотношения элементов сплавов приведены на рис. 26.2.

Существование предела по концентрации в сплаве магния сводит мероприятия по предупреждению дефектов к двум воз­можным вариантам: 1—использованием для узлов, в которых предусматривается электронно-лучевая сварка сплавов с содер­жанием Mg меньше критического; 2 — искусственное снижение концентрации Mg ниже критической только в зоне взаимодей­ствия электронного луча со свариваемым материалом для спла­вов с содержанием Mg выше критического.

Рнс 26 2 Влияние содержания бериллия на крити­ческую концентрацию магния в свариваемых алю - минийбериллиймагниевых сплавах 1 — с дефектами, 2 — без дефектов

Второй вариант реализуется за счет использования прокла­док, располагаемых в стыке соединения. Дозировка критиче­ского содержания магния в этом случае осуществляется как за счет доли участия основного металла в объеме сварочной ванны, так и за счет содержания магния в прокладке (рис. 26.3). В качестве прокладок рекомендуются стандартные алюминиевые сплавы. Основным условием является минималь­ное содержание в них, а лучше полное отсутствие легкоплавких элементов (Mg, Mn, Zn, Li).

Использование прокладок является необходимым, но не до­статочным условием получения качественных соединений. Для устранения внутренней пористости и несплошностей необходимо применение продольно-поперечных колебаний электронного луча. Частота продольных колебаний составляет 50—100 Гц, амплитуда 3—4 мм; частота поперечных колебаний 200—300 Гц, амплитуда 1,5—2,0 мм.

Механические свойства электронно-лучевых сварных соеди­нений представлены в табл. 26.5. Использование легированных присадок (АК-8, Д20) позволяет получать прочность на уровне 0,8—0,9 от прочности основного металла при повышенной пла­стичности. Введение в шов дополнительных легирующих эле-

ментов дает возможность повышать прочность за счет термооб­работки, в то время как сами сплавы системы Al—Be—Mg не термоупрочняемы. Термическая обработка шва, сваренного с прокладкой АК-8, по режиму: температура закалки 480— 500 °С в воду, температура старения 155—160 °С, выдержка 12—23 ч, обеспечивает равнопрочность шва с основным ме­таллом.

Сварные конструкции из Al—Be сплавов находят примене­ние в изделиях, работающих под высокими статическими и ди­намическими нагрузками, в коррозионных средах, при необхо­димости снижения веса и повышения жесткости.